DE10083498B4 - A method of producing a thin polycrystalline layer and an oxide superconducting element - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht bestehend aus Oxidkristallkörnern, deren Kristallstruktur ein seltenes Erdoxidtyp (C) ist, das mit einer der nachstehenden Formeln beschrieben wird: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3, die auf der schichtbildenden Oberfläche eines polykristallinen Substrats aufgebracht werden, wobei die Neigungswinkel der Korngrenze zwischen entsprechenden Kristallachsen verschiedener Kristallkörner entlang der parallel zur schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats verlaufenden Ebene in einem Winkel von 30° gehalten werden, wobei das polykristalline Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 250 bis 350°C gebracht wird, und ein Ionenstrahl aus Kr+ oder Xe+ Ionen oder ein aus diesen Ionen kombinierter Strahl von einer Ionenquelle erzeugt wird, wobei die Energie des Ionenstrahls in einem Bereich von zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt wurde, während der Einfallswinkel des die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der...A method for producing a thin polycrystalline layer composed of oxide crystal grains whose crystal structure is a rare earth oxide type (C) described by any one of the following formulas: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3, and Lu 2 O 3 coated on the film-forming surface of a polycrystalline substrate wherein the inclination angles of the grain boundary between respective crystal axes of different crystal grains are kept at an angle of 30 ° along the plane parallel to the film-forming surface of the polycrystalline substrate, the polycrystalline substrate being brought to a temperature in the range of 250 to 350 ° C, and an ion beam of Kr + or Xe + ions or a beam combined from these ions is generated from an ion source, the energy of the ion beam being in a range of between 125 eV and 175 eV, while the incident angle of the ion beam irradiating the film-forming surface of the polycrystalline substrate is set between 50 and 60 degrees to the normal direction of the ...
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht mit einer Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) mit einer gut ausgerichteten Kristallorientierung und ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements, welches hervorragende supraleitende Eigenschaften aufweist und eine, auf der zuvor genannten dünnen polykristallinen Schicht gebildete, supraleitende Oxidschicht umfasst.The The present invention relates to a process for the preparation of a thin polycrystalline layer with a crystal structure of a rare Type of earth oxide (C) with a well oriented crystal orientation and a method for producing an oxide superconducting element, which has excellent superconducting properties and one which on the aforementioned thin comprises polycrystalline layer formed superconducting oxide layer.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die supraleitenden Oxidstoffe, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, sind gute supraleitende Stoffe, deren kritische Temperatur über der Temperatur von flüssigem Stickstoff liegt. Es bleiben jedoch viele Probleme zu lösen, bevor supraleitende Oxidstoffe als Supraleiter in der Praxis angewendet werden können. Eins der Probleme ist die niedrige kritische Stromdichte der supraleitenden Oxidstoffe.The superconducting oxides discovered in recent years are good superconducting substances whose critical temperature is above the Temperature of liquid Nitrogen lies. However, many problems remain to be solved before Superconducting oxides are used as superconductors in practice can be. One of the problems is the low critical current density of the superconducting ones Oxidstoffe.
Das Problem der niedrigen kritischen Stromdichte des supraleitenden Oxidstoffes kommt hauptsächlich von der elektrischen Anisotropie, die den Kristallen des supraleitenden Oxidstoffes eigen ist. Es ist bekannt, dass die elektrische Leitfähigkeit der supraleitenden Oxidstoffe in den Richtungen der a-Achse und der b-Achse des Kristalls hoch, jedoch in der Richtung der c-Achse niedrig ist. Zur Verwendung einer auf einem Substrat gebildeten supraleitenden Oxidschicht als supraleitendes Element ist es daher erforderlich, auf einem Substrat eine supraleitende Oxidschicht mit einer guten Kristallorientierung zu bilden und die a-Achse oder die b-Achse des Kristalls des supraleitenden Oxidstoffs mit der beabsichtigten Richtung des Stromflusses auf eine Linie zu bringen, während die c-Achse des supraleitenden Oxidstoffs mit der anderen Richtung auf eine Linie gebracht wird.The Problem of low critical current density of the superconducting Oxidant comes mainly from the electrical anisotropy to the crystals of the superconducting Oxidstoffes own. It is known that the electrical conductivity the superconducting oxides in the directions of the a-axis and The b-axis of the crystal is high, but in the direction of the c-axis is low. To use a formed on a substrate It is therefore superconducting oxide layer as a superconducting element required, on a substrate, a superconducting oxide layer with a good crystal orientation and the a-axis or the b-axis of the crystal of the superconductive oxide with the intended one Direction of current flow to bring a line while the c-axis of the superconducting oxide with the other direction to one Line is brought.
So wurde bisher eine Vorgehensweise verwendet, in der eine Zwischenschicht mit einer guten Kristallorientierung bestehend aus MgO, SrTiO3 oder ähnlichem auf einem Substrat, wie z.B. einem Metallband, mittels eines Zerstäubers gebildet wird und eine supraleitende Oxidschicht auf die Zwischenschicht aufgebracht wird. Die supraleitende Oxidschicht, die auf einer derartigen Zwischenschicht mittels eines Zerstäubers gebildet wird, hat jedoch eine kritische Stromdichte (typischerweise etwa 1.000 bis 10.000 A/cm2), die sehr viel geringer ist, als die einer auf einem aus einem solchen Stoff bestehenden Einkristallsubstrat gebildeten supraleitenden Oxidschicht (typischerweise mehrere hunderttausend A/cm2). Es wird angenommen, dass der Grund für dieses Problem der Folgende ist.So far, an approach has been used in which an intermediate layer having a good crystal orientation consisting of MgO, SrTiO 3 or the like is formed on a substrate such as a metal strip by means of a nebulizer and a superconducting oxide layer is applied to the intermediate layer. However, the oxide superconducting film formed on such an intermediate layer by means of an atomizer has a critical current density (typically about 1,000 to 10,000 A / cm 2 ), which is much lower than that of a single crystal substrate formed of such a substance superconducting oxide layer (typically several hundred thousand A / cm 2 ). It is assumed that the reason for this problem is the following.
Wenn die a-Achsen und die b-Achsen in den Kristallkörnern der supraleitenden Oxidschicht willkürlich ausgerichtet sind, verschlechtern sich die supraleitenden Eigenschaften, insbesondere die kritische Stromdichte, da die Quantenkopplung des supraleitenden Zustands in den Korngrenzen, in denen die Kristallorientierung gestört ist, verloren geht.If the a-axes and the b-axes in the crystal grains of the superconducting oxide layer arbitrarily aligned are, deteriorate the superconducting properties, in particular the critical current density, since the quantum coupling of the superconducting State in the grain boundaries in which the crystal orientation is disturbed, get lost.
Es
wird angenommen, dass der Grund dafür, dass das supraleitende Oxidelement
in einen polykristallinen Zustand gerät, in dem die a-Achsen und
die b-Achsen willkürlich
ausgerichtet sind, der folgende ist: da die unterhalb des supraleitenden
Oxidelements gebildete Zwischenschicht
Für die Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass ein supraleitendes Oxidelement mit einer ausreichenden kritischen Stromdichte dadurch hergestellt werden kann, dass auf einem polykristallinen Substrat mittels eines speziellen Verfahrens eine YSZ (yttriumstabilisiertes Zirkonoxid) Zwischenschicht gebildet wird, die gut ausgerichtete a- und b-Achsen aufweist und dass eine supraleitende Oxidschicht auf die Zwischenschicht aufgebracht wird. In Bezug auf diese Technologie haben die Erfinder verschiedene Anmeldungen eingereicht, nämlich die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 4-293464, die japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-214806, die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-272606 und die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. Hei 8-272607.For the inventors of the present invention, it has been found that an oxide superconducting element having a sufficient critical current density can be formed by forming on a polycrystalline substrate by a special method a YSZ (yttrium stabilized zirconia) intermediate layer containing well-aligned a and b -Axes and that a superconducting oxide layer is applied to the intermediate layer. With respect to this technology, the inventors have filed various applications, namely Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 4-293464, Japanese Patent Application, First Publication No. Hei 8-214806, Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 8-272606 and Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. Hei 8-272607.
Die in diesen Patentanmeldungen vorgeschlagene Lehre ermöglicht es, bei der Bildung einer dünnen Schicht auf einem polykristallinen Substrat unter Verwendung eines aus YSZ bestehenden Targets, YSZ-Kristalle mit einer ungünstigen Kristallorientierung mittels eines ionenstrahlunterstützten Verfahrens selektiv zu entfernen, wobei in diesem Verfahren die schichtbildende Oberfläche des polykristallinen Substrats schräg mit einem Ionenstrahl wie z.B. Ar+ bestrahlt wird, wodurch YSZ-Kristalle mit einer guten Kristallorientierung selektiv abgeschieden werden, was zur Bildung einer Zwischenschicht aus YSZ-Kristallen mit einer guten Kristallorientierung führt.The teaching proposed in these patent applications makes it possible, when forming a thin film on a polycrystalline substrate using a YSZ target, to selectively remove YSZ crystals having an unfavorable crystal orientation by an ion beam assisted process, in which process the film-forming surface of the polycrystalline substrate is obliquely irradiated with an ion beam such as Ar + , whereby YSZ crystals with a good crystal orientation are selectively deposited, resulting in the formation of an intermediate layer of YSZ crystals with a good crystal orientation.
Nach der in den vorangegangenen Anmeldungen der Erfinder vorgeschlagenen Lehre kann eine dünne polykristalline Schicht aus YSZ mit günstig ausgerichteten a- und b-Achsen hergestellt werden. Es wurde auch sichergestellt, dass der auf der dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidstoff eine ausreichende kritische Stromdichte aufweist, und die Erfinder fingen an, nach einer Weiterentwicklung dieser Lehre zur Verbesserung von dünnen polykristallinen Schichten bestehend aus anderen Stoffen zu forschen.To that proposed in the previous applications of the inventors Teaching can be a thin one Polycrystalline layer of YSZ with favorably aligned a- and B-axes are produced. It was also ensured that the one on the thin one Polycrystalline layer formed superconducting oxide sufficient has critical current density, and the inventors began to follow suit a further development of this teaching for the improvement of thin polycrystalline Layers of other substances to research.
Der
Grund, weshalb die Vierschichtenstruktur verwendet wird, ist, dass,
um eine supraleitende Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu7 -x zu
erzielen, es notwendig ist, nach Bildung der supraleitenden Oxidschicht
mit der gewünschten
Zusammensetzung durch Zerstäubung
oder ein anderes schichtbildendes Verfahren, eine Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius vorzunehmen,
wobei jedoch die Elemente zwischen den supraleitenden Oxidschichten
mit den Zusammensetzungen YSZ und Y1Ba2Cu3O7-x aufgrund
der bei der Wärmebehandlung
auftretenden Wärme
diffundieren können;
die Diffusion kann die supraleitenden Eigenschaften verschlechtern
und muss verhindert werden. Die YSZ-Kristalle, die die Zwischenschicht
Mit
der in
Zum
Bilden einer reaktionsstoppenden Zwischenschicht
In der Zwischenzeit wurden Techniken zum Bilden von verschiedenen, gut orientierten Schichten auf polykristalline Substrate auf anderen Gebieten als bei der Anwendung von supraleitenden Oxidstoffen, wie z.B. in dünnen optischen Schichten, magnetooptischen Scheiben, Schaltplatten, Hochfrequenzleiterwellen, Hochfrequenzfilter und Hohlraumresonatoren. Auf jedem dieser Gebiete ist es weiterhin eine Herausforderung, eine günstig orientierte dünne polykristalline Schicht mit einer beständigen Schichtqualität auf einem Substrat zu bilden. Eine dünne polykristalline Schicht mit einer zufriedenstellenden Kristallorientierung würde es ermöglichen, die Qualität von darauf aufzubringenden optischen dünnen Schichten, magnetischen Schichten oder dünnen Schichten für Schaltungen zu verbessern. Die Möglichkeit, dünne optische Schichten, dünne magnetische Schichten oder dünne Schichten für Schaltungen direkt auf dem Substrat mit einer zufriedenstellenden Kristallorientierung bilden zu können, wird stark bevorzugt werden.In the meantime, techniques have been developed for forming various well-oriented layers on polycrystalline substrates in fields other than the use of superconductive oxides such as thin optical layers, magneto-optic disks, circuit boards, high frequency conductor waves, high frequency filters, and cavity resonators. In each of these areas, it is still a challenge, one favorably oriented thin polycrystalline layer with a stable layer quality on a substrate. A thin polycrystalline layer having a satisfactory crystal orientation would enable the quality of optical thin films, magnetic films or thin films for circuits to be applied thereto to be improved. The ability to form thin optical layers, thin magnetic layers or thin layers for circuits directly on the substrate with a satisfactory crystal orientation will be highly preferred.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION
Die Erfindung soll die eingangs beschriebenen Probleme lösen und wurde vollendet, nachdem die Erfinder die in einer früheren Patentanmeldung offenbarten Verfahren zur Bildung auf einem Substrat, unter Anwendung der ionenstrahlunterstützten Technologie, einer polykristallinen Schicht aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3 mit einer günstigen Kristallorientierung intensiv studiert hatten. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen polykristallinen Schicht mit Kristallkörnern aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3, mit einer günstigen Kristallorientierung anzugeben, die es ermöglicht, die c-Achsen der Oxid-Kristallkörner des seltenen Erdoxidtyps (C) rechtwinklig zur Substratoberfläche, auf die die dünne Schicht gebildet werden soll, auszurichten und die a- und b-Achsen der Kristallkörner des seltenen Erdoxidtyps (C) auf einer parallel zur schichtbildenden Oberfläche des Substrats verlaufenden Ebene auszurichten. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements anzugeben, das ein polykristallines Substrat und eine dünne, auf der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Subtrats gebildete, polykristalline Schicht, sowie eine auf der oben genannten dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht umfasst.The invention is intended to solve the problems described above and has been completed after the inventors disclosed the methods for forming on a substrate disclosed in an earlier patent application, using ion beam assisted technology, a rare earth oxide type polycrystalline layer (C) such as Y 2 O. 3 had studied intensively with a favorable crystal orientation. The object of the present invention is to provide a process for producing a thin polycrystalline layer having rare earth oxide type (C) crystal grains such as Y 2 O 3 having a favorable crystal orientation which enables the c-axes of the oxide crystal grains of the rare earth oxide type (C) at right angles to the substrate surface on which the thin film is to be formed, and aligning the a and b axes of the rare earth oxide type crystal grains (C) on a plane parallel to the film forming surface of the substrate. Another object of the present invention is to provide a method for producing an oxide superconducting element comprising a polycrystalline substrate and a thin polycrystalline layer formed on the film-forming surface of the polycrystalline substrate, and an oxide superconducting layer formed on the above-mentioned thin polycrystalline layer includes.
Die Lösung der eingangs beschriebenen Probleme besteht darin, dass die dünne polykristalline Schicht der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus Oxidkristallkörnern besteht, die eine Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) aufweisen, welches durch eine der nachstehenden Formeln dargestellt wird: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3 und auf die schichtbildende Oberfläche eines polykristallinen Substrats aufgebracht wird, wobei die Neigungswinkel der Korngrenze (der Versetzungswinkel der Korngrenze) zwischen den gleichen Kristallachsen der verschiedenen Kristallkörner in der dünnen polykristallinen Schicht entlang der parallel zu der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats verlaufenden Ebene in einem Winkel von 30° gehalten werden, wobei das polykristalline Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 250–350° C gebracht wird, und ein Ionenstrahl aus Kr+- oder Xe+-Ionen oder ein aus diesen Ionen kombinierter Strahl von einer Ionenquelle erzeugt wird, wobei die Energie des Ionenstrahls in einem Bereich zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt wurde, während der Einfallswinkel des die Schicht bildende Oberfläche des polykristallinen Substrats bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats liegt, wenn die vom aus denselben Elementen wie die dünne polykristalline Schicht bestehenden Target erzeugten Partikel auf das polykristalline Substrat abgeschieden werden.The solution to the above-described problems is that the thin polycrystalline layer of the present invention consists essentially of oxide crystal grains having a rare earth oxide type crystal structure (C) represented by one of the following formulas: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , He 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 and applied to the film-forming surface of a polycrystalline substrate, wherein the inclination angles of the grain boundary (the displacement angle of the grain boundary) between the same crystal axes of the various crystal grains in the thin polycrystalline layer along the plane parallel to the film-forming surface of the polycrystalline substrate in a plane Angle of 30 °, wherein the polycrystalline substrate is brought to a temperature in the range of 250-350 ° C, and an ion beam of Kr + or Xe + ions or a beam combined from these ions is generated from an ion source, the energy of the ion beam being set in a range between 125 eV and 175 eV, while the angle of incidence of the ion beam irradiating the layer-forming surface of the polycrystalline substrate is between 50 and 60 degrees to the normal direction of the film-forming surface of the polycrystalline substrate, when the particles formed by the target consisting of the same elements as the thin polycrystalline layer are deposited on the polycrystalline substrate.
Das zuvor genannte polykristalline Substrat kann aus einem hitzebeständigen Metallband aus einer Ni-Legierung, die oben erwähnte dünne polykristalline Schicht kann aus Y2O3 bestehen.The aforementioned polycrystalline substrate may be made of a Ni-alloy heat-resistant metal ribbon, and the above-mentioned thin polycrystalline layer may be Y 2 O 3 .
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oxidelements anzugeben, das ein polykristallines Substrat umfasst, welches nach dem zuvor genannten Verfahren hergestellt ist. Des weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine dünne, auf der schichtbildenden Oberfläche des polykristallinen Substrats gebildete, polykristalline Schicht und eine auf der dünnen polykristallinen Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht, wobei diese nach dem Abscheiden der dünnen polykristallinen Schicht gebildet wird.One Another object of the present invention is to provide a method for To provide a superconducting oxide element, the polycrystalline substrate, which after the aforementioned Process is made. Furthermore, the method according to the invention comprises a thin, on the film-forming surface polycrystalline substrate formed polycrystalline layer and one on the thin one polycrystalline layer formed superconducting oxide layer, wherein these after depositing the thin ones polycrystalline layer is formed.
Die auf dem polykristallinen Substrat gebildete dünne polykristalline Schicht aus einem seltenen Erdoxidtyp (C), wie z.B. Y2O3, ist in vielerlei Hinsicht vorteilhafter als die herkömmliche dünne Schicht aus YSZ, wenn eine supraleitende Schicht bestehend aus einem Oxid darauf aufgebracht wird.The rare earth oxide type (C) thin polycrystalline layer (C) such as Y 2 O 3 formed on the polycrystalline substrate is more advantageous than the conventional thin film of YSZ in many respects when a superconducting layer consisting of an oxide is deposited thereon.
Zunächst ist die Gitterkonstante von ZrO2, das der Hauptbestandteil des YSZ Kristalls ist, 5,14 Å (0,514 nm) und wenn angenommen wird, dass der Abstand zwischen einem im Zentrum der Fläche der Elementarzelle befindlichen Atom und einem in der Ecke der Elementarzelle befindlichen Atom (der Abstand zwischen den nächstliegenden Atomen) in dem flächenzentrierten kubischen Gitter von ZrO2 3,63 Å (0,363 nm) beträgt, dann ist die Gitterkonstante des Y2O3 Kristalls 5,3 Å (0,53 nm) und die Entfernung zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,75 Å (0,375 nm). Berücksichtigt man, dass der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen eines supraleitenden Oxidstoffs der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x 3,9 Å (0,39 nm) beträgt, und dass die Gitterkonstante zwischen 5,4 und 5,5 Å (0,54 bis 0,55 nm) liegt, was 2 ½ (die Quadratwurzel aus 2) mal die Größe von 3,9 Å (0,39 nm) ist, so erscheint die dünne polykristalline Schicht aus Y2O3 mit Bezug auf die Kristallentsprechung vorteilhafter als die dünne polykristalline Schicht aus YSZ. Das heißt, dass, beim Abscheiden der Atome der dünnen polykristallinen Schicht mit dem ionenstrahlunterstützten Verfahren, eine normale Abscheidung der Atome unter Verwendung eines Materials, das einen geringeren Abstandswert zwischen den nächstgelegenen Atome aufweist, einfacher erreicht werden könnte. Außerdem, da Y2O3 eine Kristallstruktur des seltenen Erdoxidtyps (C) aufweist, kann ein Stoff mit einer Kristallstruktur des seltenen Erdoxidtyps (C) und mit einer der nachstehenden Zusammensetzungen Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3 verwendet werden.First, the lattice constant of ZrO 2 , which is the main constituent of the YSZ crystal, is 5.14 Å (0.514 nm), and it is assumed that the distance between an atom located in the center of the surface of the unit cell and one in the corner of the unit cell Atom (the distance between nearest atoms) in the face centered cubic lattice of ZrO 2 is 3.63 Å (0.363 nm), then the lattice constant of the Y 2 O 3 crystal is 5.3 Å (0.53 nm) and the distance between the nearest atoms 3.75 Å (0.375 nm). Considering that the distance between the nearest atoms of a superconductive oxide of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x is 3.9 Å (0.39 nm), and that the lattice constant is between 5.4 and 5.5 Å (0.54 to 0.55 nm), which is 2½ (the square root of 2) times the size of 3.9 Å (0.39 nm), Thus, the thin polycrystalline layer of Y 2 O 3 with respect to the crystal equivalent appears more advantageous than the thin polycrystalline layer of YSZ. That is, as the atoms of the thin polycrystalline layer are deposited by the ion beam assisted method, normal deposition of the atoms using a material having a smaller distance between the nearest atoms could be more easily achieved. In addition, since Y 2 O 3 has a rare earth oxide type crystal structure (C), a substance having a rare earth oxide type crystal structure (C) and having one of the following compositions Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 .
Die von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass BaZrO3 wahrscheinlich durch Thermodiffusion aufgrund der während des Herstellungsprozesses erzeugten Wärme oder aufgrund einer Wärmebehandlung an der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x erzeugt werden kann, während die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x unter Wärmebedingungen bei Temperaturen zwischen etwa 700 bis 800°C stabil ist, wodurch eine dünne polykristalline Y2O3 Schicht auch in dieser Hinsicht vielversprechend ist.The research conducted by the inventors has revealed that BaZrO 3 is likely to be formed by thermal diffusion due to the heat generated during the manufacturing process or due to heat treatment at the interface between the thin polycrystalline YSZ layer and the superconducting oxide layer of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x can be generated while the interface between the polycrystalline Y 2 O 3 thin film and the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x superconducting oxide layer is stable under heat conditions at temperatures between about 700 to 800 ° C, whereby a thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is also promising in this regard.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die dünne, Kristallkörner eines seltenen Erdoxidtyps (C) wie z.B. Y2O3 umfassende polykristalline Schicht, die eine günstige Kristallorientierung aufweist und auf dem polykristallinen Substrat mit 30 Grad einschließenden Neigungswinkeln der Korngrenze (dem Versetzungswinkel der Korngrenze) gebildet ist, vorzugsweise als Basis zur Bildung von verschiedenen dünnen Schichten auf dieser Schicht dienen, und ermöglicht den Erhalt von guten supraleitenden Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine supraleitende Schicht ist, den Erhalt von guten optischen Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine optische Schicht ist, den Erhalt von guten magnetischen Eigenschaften für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht eine magnetische Schicht ist, und den Erhalt einer dünnen Schicht mit einem geringeren Schaltwiderstand und weniger Fehlern für den Fall, dass die dünne zu bildende Schicht für Schaltplatten verwendet wird.According to the present invention, the thin rare earth oxide type crystal grains (C) such as Y 2 O 3 may have a favorable crystal orientation and be formed on the polycrystalline substrate at 30 degree inclination angles of the grain boundary (the grain boundary displacement angle) , preferably serve as a base for forming various thin layers on this layer, and enables to obtain good superconducting properties in the case where the thin layer to be formed is a superconducting layer, to obtain good optical properties in the case where the thin layer to be formed is an optical layer, obtaining good magnetic properties in the case where the thin layer to be formed is a magnetic layer, and obtaining a thin layer having a lower switching resistance and fewer errors in the case of the thin one layer to be formed for Switching plates is used.
Das in der dünnen polykristallinen Schicht verwendete Oxid des seltenen Erdoxidtyps (C) kann ein Oxid aus einer der folgenden Zusammensetzungen sein: Y2O3, Sc2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3 und Lu2O3.The rare earth oxide type oxide (C) used in the thin polycrystalline layer may be an oxide of any one of the following compositions: Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , He 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Lu 2 O 3 .
Ein wärmebeständiges Metallband aus einer Ni-Legierung kann als polykristallines Substrat verwendet werden, und es kann ein Metallband gefertigt werden, das die dünne, Kristallkörner eines seltenen Erdoxidtyps (C), wie z.B. Y2O3, umfassende polykristalline Schicht trägt.A Ni-alloy heat-resistant metal tape may be used as the polycrystalline substrate, and a metal tape carrying the thin polycrystalline layer-containing crystal grains of a rare earth oxide type (C) such as Y 2 O 3 may be fabricated.
Da bei der Abscheidung der durch das Y2O3 Target erzeugten Partikel auf das polykristalline Substrat das Substrat in einem Temperaturbereich zwischen 250 bis 350°C gehalten wird, die Energie des Ionenstrahls zwischen 125 eV und 175 eV eingestellt ist, und der Einfallswinkel des das Substrat bestrahlenden Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad zur normalen Richtung der schichtbildenden Oberfläche beträgt, kann die dünne polykristalline Y2O3 Schicht direkt mit einer guten Kristallorientierung auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden, was nach dem bisherigen Stand der Technik unmöglich war.Since, in the deposition of the particles generated by the Y 2 O 3 target on the polycrystalline substrate, the substrate is maintained in a temperature range between 250 to 350 ° C, the energy of the ion beam is set between 125 eV and 175 eV, and the angle of incidence of the Substrate irradiating ion beam is between 50 and 60 degrees to the normal direction of the film-forming surface, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can be formed directly with a good crystal orientation on the polycrystalline substrate, which was impossible in the prior art.
Da die dünne polykristalline Y2O3 Schicht direkt auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden kann, ist die weitere Beschichtung mit einer dünnen polykristallinen YSZ Schicht nicht notwendig, und die Anzahl der für die Bildung einer zufriedenstellenden Schicht mit einer guten Kristallorientierung auf einem polykristallinen Substrat benötigten Schichten wird reduziert, was zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens beiträgt.Since the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer can be formed directly on the polycrystalline substrate, further coating with a thin polycrystalline YSZ layer is not necessary and the number of times required for forming a satisfactory layer having good crystal orientation on a polycrystalline substrate Layers is reduced, which contributes to the simplification of the manufacturing process.
Wenn die supraleitende Oxidschicht auf der dünnen, mit einer wie oben beschrieben guten Kristallorientierung versehenen polykristallinen Y2O3 Schicht gebildet ist, kann eine supraleitende Oxidschicht mit einer guten Kristallorientierung gebildet werden, wodurch eine supraleitende Oxidschicht mit einer hohen kritischen Stromdichte und einem hohen kritischen Strom hergestellt werden kann. Der Grund hierfür sind die besseren Kristallanpassungseigenschaften an die supraleitende Oxidschicht der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht im Vergleich zur dünnen polykristallinen YSZ Schicht, wodurch es möglich wird, eine supraleitende Oxidschicht mit einer besseren Kristallorientierung zu fertigen als dies unter Verwendung einer dünnen polykristallinen YSZ Schicht möglich ist.When the superconducting oxide film is formed on the thin polycrystalline Y 2 O 3 film provided with good crystal orientation as described above, a superconducting oxide film having a good crystal orientation can be formed, thereby forming a superconducting oxide film having a high critical current density and a high critical current can be produced. The reason for this is the better crystal matching properties to the superconducting oxide layer of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer compared to the thin polycrystalline YSZ layer, making it possible to fabricate a superconducting oxide layer having a better crystal orientation than that using a thin polycrystalline YSZ layer is possible.
Außerdem, da die dünne polykristallinen Y2O3 Schicht direkt auf dem polykristallinen Substrat gebildet werden kann, kann die Anzahl der Schichten, aus denen das supraleitende Oxidelement besteht, verringert werden, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens im Vergleich zum Stand der Technik führt, in dem, unter Berücksichtigung der nach der Bildung der supraleitenden Oxidschicht vorgenommenen Wärmebehandlung, eine Doppelschicht aus YSZ und Y2O3 verwendet wird.Moreover, since the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is formed directly on the polycrystalline substrate can be, the number of layers constituting the oxide superconducting element can be reduced, resulting in a simplification of the manufacturing process as compared with the prior art, in which, taking into account the heat treatment after the formation of the superconducting oxide layer, a double layer from YSZ and Y 2 O 3 is used.
Nachdem es sich bei den von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen herausgestellt hat, dass BaZrO3 wahrscheinlich in der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht aus Y1Ba2Cu3O7-x durch Thermodiffusion aufgrund einer Wärmebehandlung oder von ähnlichem erzeugt wird, wobei jedoch die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7 -x unter den Wärmebedingungen bei einer Temperatur zwischen 700 und 800°C stabil ist, ist die dünne polykristallinen Y2O3 Schicht auch in dieser Hinsicht vorteilhaft und ermöglicht es, ein supraleitendes Oxidelement zu schaffen, das, selbst wenn es nach Bildung der supraleitenden Oxidschicht einer Wärmebehandlung unterzogen wird, weniger einer Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften ausgesetzt ist.After the investigations conducted by the inventors, it has been found that BaZrO 3 is likely to be generated in the interface between the YSZ polycrystalline thin film and the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x superconducting oxide layer by thermal diffusion due to heat treatment or the like However, with the interface between the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer and the superconducting oxide layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -x stable under the heat conditions at a temperature between 700 and 800 ° C, the thin polycrystalline Y 2 is O 3 layer is also advantageous in this respect, and makes it possible to provide a superconductive oxide element which, even when subjected to a heat treatment after formation of the oxide superconducting layer, is less susceptible to deterioration of superconducting properties.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSHORT DESCRIPTION THE DRAWING
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNGEMBODIMENTS THE INVENTION
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben.Based the attached Drawings will become a preferred embodiment of the present invention below described.
Das polykristalline Substrat A kann verschiedene Formen aufweisen, wie beispielsweise die eines Blatts, eines Drahtes oder eines Bands. Das polykristalline Substrat A besteht aus einem Metall oder aus einer Legierung wie z.B. Silber, Platin, Edelstahl, Kupfer, Hastelloy oder einer anderen Ni-Legierung, oder einem nicht-metallischen Material wie z.B. Glas oder Keramik.The polycrystalline substrate A may have various shapes, such as for example, a sheet, a wire or a tape. The polycrystalline substrate A is made of a metal or of an alloy such as e.g. Silver, Platinum, Stainless Steel, Copper, Hastelloy or another Ni alloy, or a non-metallic material such as. Glass or ceramics.
Die
dünne polykristalline
Schicht B dieses Ausführungsbeispiels
ist aus zahlreichen, aus Y2O3 mit
einer Kristallstruktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) eines isometrischen
Systems bestehenden feinen Kristallkörnern
Als
Oxid zur Herstellung der Kristallkörner
Während das
Kristallgitter von Y2O3 einem
seltenen Erdoxidtyp (C) angehört,
ist das seltene Erdoxidtyp (C) aus einer Fluoritstruktur eines kubischen
Kristallsystems abgeleitet und hat eine Struktur derart, dass, wenn
acht Elementarzellen einer flächenzentrierten
kubischen Struktur, wie sie in
Wenn mit einem ionenstrahlunterstützten Verfahren Y2O3 Kristalle unter Bedingungen abgeschieden werden, die später noch beschrieben werden, ist ein wichtiger Faktor der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, nämlich 3,75 Å (0,375 nm) und liegt vorzugsweise näher an dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, der 3,81 Å (0,381 nm) in der Gitterkonstante 3,81 Å beträgt, und dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen, der 3,81 Å (0,381 nm) beträgt, in der supraleitenden Oxidschicht der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x. Der Unterschied zwischen dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen und dem der supraleitenden Schicht mit der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3O7-x ist 1,5% für Y2O3, beträgt aber 4,5% für YSZ, dessen Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,63 Å (0,363 nm) beträgt.If 3 crystals are deposited under conditions with an ion beam assisted method Y 2 O, which are described later, is an important factor, the distance between the nearest atoms, namely 3.75 Å (0.375 nm) and preferably nearer to the distance between the nearest atoms, which is 3.81 Å (0.381 nm) in lattice constant 3.81 Å, and the distance between the nearest atoms, which is 3.81 Å (0.381 nm), in the oxide superconducting layer of composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x. The difference between the distance between the nearest atoms and that of the superconducting layer having the composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x is 1.5% for Y 2 O 3 , but is 4.5% for YSZ whose distance between the nearest atom is 3.63 Å (0.363 nm).
Andere, ebenfalls verwendbare Oxide des seltenen Erdoxidtyps (C) sind:, Sc2O3, dessen Gitterkonstante 9,84 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,48 Å (0,348 nm) beträgt; Nd2O3, dessen Gitterkonstante 11,08 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,92 Å (0,392 nm) beträgt; Sm2O3, dessen Gitterkonstante 10,972 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,86 Å (0,386 nm) beträgt;, Eu2O3, dessen Gitterkonstante 10,868 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,84 Å (0,384 nm) beträgt; Gd2O3, dessen Gitterkonstante 10,813 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,82 Å (0,382 nm) beträgt; Tb2O3, dessen Gitterkonstante 10,73 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,79 Å (0,379 nm) beträgt; Dy2O3, dessen Gitterkonstante 10,665 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,77 Å (0,377 nm) beträgt; Ho2O3, dessen Gitterkonstante 10,606 ist Å, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,75 Å (0,375 nm) beträgt; Er2O3, dessen Gitterkonstante 10,548 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,73 Å (0,373 nm) beträgt; Yb2O3, dessen Gitterkonstante 10,4347 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,69 Å (0,369 nm) beträgt; und Lu2O3, dessen Gitterkonstante 10,39 Å ist, und bei dem der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen 3,67 Å (0,367 nm) beträgt.Other rare earth oxide type (C) oxides which can also be used are: Sc 2 O 3 , whose lattice constant is 9.84 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.48 Å (0.348 nm); Nd 2 O 3 , whose lattice constant is 11.08 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.92 Å (0.392 nm); Sm 2 O 3 , whose lattice constant is 10.972 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.86 Å (0.386 nm); Eu 2 O 3 , whose lattice constant is 10.868 Å, and where the distance between the nearest Atoms is 3.84 Å (0.384 nm); Gd 2 O 3 , whose lattice constant is 10.813 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.82 Å (0.382 nm); Tb 2 O 3 , whose lattice constant is 10.73 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.79 Å (0.379 nm); Dy 2 O 3 , whose lattice constant is 10.665 Å, and in which the distance between the nearest atoms are 3.77 Å (0.377 nm); Ho 2 O 3 , whose lattice constant is 10.606 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.75 Å (0.375 nm); Er 2 O 3 , whose lattice constant is 10.548 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.73 Å (0.373 nm); Yb 2 O 3 , whose lattice constant is 10.4347 Å, and where the distance between the nearest atoms is 3.69 Å (0.369 nm); and Lu 2 O 3 whose lattice constant is 10.39 Å and where the distance between the nearest atoms is 3.67 Å (0.367 nm).
Eine Vorrichtung zur Herstellung der dünnen polykristallinen Schicht B und ein Verfahren zur Herstellung derselben werden nachstehend beschrieben.A Apparatus for producing the thin polycrystalline layer B and a method for producing the same will be described below described.
In
diesem Beispiel umfasst die Vorrichtung: einen Abscheidebehälter
In
der Substrathaltevorrichtung
In
dieser Vorrichtung zur Herstellung der dünnen polykristallinen Schicht,
führt die
Substrat spendende Rolle
Das
Target
Die
einen Strahl erzeugende Zerstäubervorrichtung
(Zerstäubermittel)
Die
Ionenquelle
In
der eingangs beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen der dünnen polykristallinen
Schicht wird die Ionenquelle
Wie
in
Für den von
der Ionenquelle
Der
Abscheidebehälter
Der
Abscheidebehälter
Während die
die dünne
polykristalline Schicht erzeugende Vorrichtung dieses Beispiels
so aufgebaut ist, dass die Substrathaltevorrichtung
Nachstehend wird ein Arbeitsvorgang beschrieben für den Fall, in dem die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B auf dem polykristallinen Substrat A unter Verwendung der Vorrichtung in der oben beschriebenen Ausführung gebildet wird.Hereinafter, an operation will be described for the case where the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B is formed on the polycrystalline substrate A using the apparatus in the above-described embodiment.
Zum
Bilden der dünnen
polykristallinen Schicht auf dem bandförmigen polykristallinen Substrat
A wird ein aus Y2O3 bestehendes
Target
Wenn
das Target
Der Einfallswinkel θ der Ionenstrahlbestrahlung liegt zwischen 50 bis 60 Grad, in einer bevorzugten Ausführung zwischen 55 und 60 Grad, und in der bevorzugtesten Ausführung bei etwa 55 Grad. Wenn θ 90 Grad beträgt, kann die c-Achse der dünnen polykristallinen Schicht nicht orientiert werden. Wenn θ 30 Grad beträgt, kann die Orientierung der c-Achse der dünnen polykristallinen Schicht nicht erzielt werden. Wenn der Ionenstrahl in einem im oben beschriebenen Bereich liegenden Einfallswinkel auftrifft, ist die c-Achse der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht in vertikaler Richtung ausgerichtet. Wenn die Zerstäubung mit Ionenstrahlbestrahlung in solch einem Einfallswinkel durchgeführt wird, werden die a-Achsen der verschiedenen Körner der auf dem polykristallinen Substrat A gebildeten dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht in die gleiche Richtung und in einer Ebene ausgerichtet, die parallel zur Oberfläche (schichtbildenden Fläche) des polykristallinen Substrats A verläuft; dasselbe gilt für die b-Achsen.The angle of incidence θ of the ion beam irradiation is between 50 and 60 degrees, in a preferred embodiment between 55 and 60 degrees, and in the most preferred embodiment about 55 degrees. When θ is 90 degrees, the c-axis of the thin polycrystalline layer can not be oriented. When θ is 30 degrees, the orientation of the c-axis of the thin polycrystalline layer can not be achieved. When the ion beam is incident in an angle of incidence in the above-described range, the c-axis is the thin aligned polycrystalline Y 2 O 3 layer in the vertical direction. When the ion beam irradiation is performed at such an angle of incidence, the a axes of the various grains of the thin polycrystalline Y 2 O 3 film formed on the polycrystalline substrate A are aligned in the same direction and in a plane parallel to the surface (film forming layer) Surface) of the polycrystalline substrate A; the same applies to the b-axes.
Bei der Bildung der dünnen polykristallinen Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3, ist es notwendig, zusätzlich zur Kontrolle des Einfallswinkels des unterstützenden Ionenstrahls, die Temperatur des polykristallinen Substrats A und die Energie des unterstützenden Ionenstrahls in entsprechenden Bereichen zu halten.In forming the rare earth oxide type thin polycrystalline layer B (C) such as Y 2 O 3 , in addition to controlling the incident angle of the assisting ion beam, it is necessary to have the temperature of the polycrystalline substrate A and the energy of the assisting ion beam in respective regions to keep.
Die Temperatur des polykristallinen Substrats A liegt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen 250 und 350°C und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 300°C.The Temperature of the polycrystalline substrate A is in a particular preferred embodiment between 250 and 350 ° C and in a particularly preferred embodiment at 300 ° C.
Die Energie des Ionenstrahls liegt zwischen 125 und 175 eV und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 150 eV.The Energy of the ion beam is between 125 and 175 eV and in one particularly preferred embodiment at 150 eV.
Die dünne polykristalline Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3, kann nur dann mit einer guten Orientierung gebildet werden, wenn sie mittels eines ionenstrahlunterstützten Verfahrens mit einer in diesen Bereichen sich bewegenden Temperatur und Ionenstrahlenergie auf dem polykristallinen Substrat A gebildet wird.The thin polycrystalline layer B of a rare earth oxide type (C) such as Y 2 O 3 can only be formed with a good orientation if it is supported on the polycrystalline substrate A by means of an ion beam assisted process with a temperature and ion beam energy moving in these regions is formed.
Die
Die
Erfinder nehmen an, dass der Grund dafür, dass die Kristallorientierung
der dünnen
polykristallinen Schicht B ausgerichtet ist, im folgenden liegt:
Das Kristallgitter der dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht
B hat eine Struktur eines seltenen Erdoxidtyps (C) eines kubisch-flächenzentrierten
Systems einer isometrischen Kristallstruktur wie in
Selbst wenn die dünne polykristalline Y2O3 Schicht B unter den oben beschriebenen Bedingungen gebildet wurde, kann eine zufriedenstellende kanalisierende Wirkung des Ionenstrahls nur dann erreicht werden, wenn die Temperatur des polykristallinen Substrats A während der Schichtbildung und die Energie des Ionenstrahls während des ionenstrahlunterstützten Verfahrens in den oben beschriebenen Bereichen liegen. Deshalb ist es bei der Bildung der Schicht erforderlich, alle drei Parameter, als da sind der Einfallswinkel des Ionenstrahls, die Temperatur des polykristallinen Substrats A und die Energie des Ionenstrahls, in den angemessenen Bereichen zu halten.Even if the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer B was formed under the conditions described above, a satisfactory channeling effect of the ion beam can be achieved only when the temperature of the polycrystalline substrate A during film formation and the energy of the ion beam during the ion beam assisted process lie in the areas described above. Therefore, in the formation of the film, it is necessary to keep all three parameters, such as the angle of incidence of the ion beam, the temperature of the polycrystalline substrate A, and the energy of the ion beam, in the appropriate ranges.
Nun
wird auf die
Das
polykristalline Substrat A und die dünne polykristalline Schicht
B bestehen aus denselben Materialien wie die in dem vorangegangenen
Beispiel beschriebenen, und Kristallkörner
Die
gebildete supraleitende Oxidschicht C bedeckt die Oberfläche der
dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht
B, wobei die c-Achsen der Kristallkörner
Das supraleitende Oxidmaterial, aus dem die supraleitende Oxidschicht besteht, ist ein supraleitendes Oxidmaterial mit einer hohen kritischen Temperatur und einer der nachfolgenden Zusammensetzungen Y1Ba2Cu3O7-x, Y2Ba4Cu8Ox oder Y3Ba3Cu6Ox, (Bi, Pb)2Ca2Sr2Cu3Ox oder (Bi, Pb)2Ca2Sr3Cu4Ox oder TI2Ba2Ca2Cu3Ox, TI1Ba2Ca2Cu3Ox oder TI1Ba2Ca3Cu4Ox, aber es kann auch ein Supraleiter aus einem anderen Oxid verwendet werden.The oxide superconducting material constituting the oxide superconducting layer is a high critical temperature superconductive oxide material having one of the following compositions Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x , Y 2 Ba 4 Cu 8 O x or Y 3 Ba 3 Cu 6 O x , (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 2 Cu 3 O x or (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 3 Cu 4 O x or TI 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x , TI 1 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x or TI 1 Ba 2 Ca 3 Cu 4 O x , but it is also possible to use a superconductor of another oxide.
Die supraleitende Oxidschicht C wird auf der dünnen polykristallinen Schicht B mit einem schichtbildenden Verfahren wie Zerstäubung oder Laserabscheidung gebildet, wobei die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht auch eine Kristallorientierung aufweist, die der Orientierung der dünnen polykristallinen Schicht B aus einem seltenen Erdoxidtyp (C) wie z.B. Y2O3 entspricht. Daraus ergibt sich, dass, da die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht hervorragende Quantenkopplung in den Korngrenzen leistet und ihre supraleitenden Eigenschaften in den Korngrenzen sich kaum verschlechtern, hat das polykristalline Substrat A eine hohe Stromleitfähigkeit in Längsrichtung und erzeugt eine ausreichend hohe kritische Stromdichte, die mit der einer supraleitenden Oxidschicht, wie sie auf einem Einkristallsubstrat wie z.B. MgO erzielt wird, vergleichbar ist.The oxide superconducting film C is formed on the polycrystalline thin film B by a film forming method such as sputtering or laser deposition, and the superconducting oxide film formed on the thin polycrystalline film B also has a crystal orientation corresponding to the orientation of the rare earth oxide thin film P polycrystalline film B. C), for example Y 2 O 3 . As a result, since the oxide superconducting layer formed on the thin polycrystalline layer B provides excellent quantum coupling in the grain boundaries and its superconducting properties in the grain boundaries hardly deteriorate, the polycrystalline substrate A has high current conductivity in the longitudinal direction and generates a sufficiently high critical Current density comparable to that of a superconducting oxide film obtained on a single crystal substrate such as MgO.
Zum Herstellen der dünnen polykristallinen Schicht B ist Y2O3 besser als YSZ, und das supraleitende Oxidelement, das durch Bildung der supraleitenden Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht entsteht, hält hohen Temperaturen (700 bis 800°C) bei der Wärmebehandlung besser stand als die auf der dünnen polykristallinen YSZ Schicht gebildete supraleitende Oxidschicht und weist eine zufriedenstellende kritische Stromdichte auf, die derjenigen der auf der dünnen polykristallinen YSZ Schicht gebildeten supraleitenden Oxidschicht ähnlich ist. Insbesondere wenn die Schichtdicke zunimmt, verringert sich die kritische Stromdichte selbst nach einer Wärmebehandlung oder ähnlichem weniger, so dass die Herstellung eines Supraleiters mit einem hohen kritischen Strom möglich wird.For producing the thin polycrystalline layer B, Y 2 O 3 is better than YSZ, and the oxide superconducting element formed by forming the oxide superconducting layer on the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer keeps high temperatures (700 to 800 ° C) in the Heat treatment is better than the superconducting oxide layer formed on the thin polycrystalline YSZ layer and has a satisfactory critical current density, which is similar to that of the superconducting oxide layer formed on the thin polycrystalline YSZ layer. In particular, as the film thickness increases, the critical current density decreases even after a heat treatment or the like less, so that the production of a superconductor having a high critical current becomes possible.
Es wird angenommen, dass der Grund für das oben genannte der Folgende ist: Erstens ist die dünne polykristalline Y2O3 Schicht, bei der der Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen zur supraleitenden Oxidschicht näher ist als bei der dünnen polykristallinen YSZ Schicht, im Hinblick auf die Kristallentsprechung vorteilhafter.First, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer in which the distance between the nearest atoms to the superconducting oxide layer is closer than that of the thin polycrystalline YSZ layer is presumed to be the crystal equivalent more advantageous.
Zweitens hat die von den Erfindern durchgeführte Untersuchung ergeben, dass BaZrO3 dazu geeignet ist, in der Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen YSZ Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7-xdurch thermische Diffusion aufgrund einer Wärmebehandlung oder ähnlichem erzeugt zu werden, trotzdem ist die Grenzfläche zwischen der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht und der supraleitenden Oxidschicht Y1Ba2Cu3O7-x unter Erhitzungsbedingungen auf eine Temperatur von etwa 700 bis 800°C stabil, und eine Diffusion der Elemente an dieser Grenzfläche erfolgt kaum. Somit ist die dünne polykristalline Y2O3 Schicht auch im Hinblick darauf vorteilhaft.Secondly, the study conducted by the inventors has revealed that BaZrO 3 is capable of being generated in the interface between the thin polycrystalline YSZ layer and the oxide superconducting layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x by thermal diffusion due to heat treatment or the like Nevertheless, the interface between the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer and the superconducting oxide layer Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x under heating conditions to a temperature of about 700 to 800 ° C is stable, and a diffusion of the elements at this Interface hardly occurs. Thus, the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is also advantageous in view of this.
Außerdem macht YSZ abhängig von der Temperatur eine Phasenumwandlung von einem kubischen System in ein orthorhombisches System durch, während Y2O3 keine Phasenumwandlung erfährt und dadurch im Vorteil ist. Betrachtet man die Bindungskraft an ein Sauerstoffatom, so tendiert Y2O3 stärker dazu, sich mit Sauerstoff zu verbinden als YSZ, was dazu führt, dass die Schicht in zufriedenstellender Weise unter einem geringeren Sauerstoff-Partialdruck gebildet werden kann, wodurch die Vorrichtung weniger belastet wird, was vielversprechender ist.In addition, depending on the temperature, YSZ undergoes phase transformation from a cubic system to an orthorhombic system, while Y 2 O 3 does not undergo phase transformation and thereby has an advantage. Considering the bonding force to an oxygen atom, Y 2 O 3 tends more to bond with oxygen than YSZ, resulting in that the layer can satisfactorily be formed under a lower partial pressure of oxygen, thereby less stressing the device becomes, which is more promising.
Die Vorrichtung zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht C wird nachstehend beschrieben.The Apparatus for forming the oxide superconducting film C will be described below described.
Das
Laserabscheidegerät
Der
Behandlungsbehälter
Das
Target
Die
Basis
Seitlich
der Behandlungskammer
Als nächstes wird ein Arbeitsvorgang zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht C auf der dünnen polykristallinen Schicht B beschrieben.When next becomes an operation for forming the superconducting oxide layer C on the thin polycrystalline layer B described.
Nach
der Bildung der dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht
B auf dem polykristallinen Substrat A wird die supraleitende Oxidschicht
auf der dünnen
polykristallinen Schicht B gebildet. In dieser Ausführungsform wird
zur Bildung der supraleitenden Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen
Schicht B das in
Das
polykristalline Substrat A mit der darauf gebildeten dünnen polykristallinen
Schicht B wird auf die Basis
Daraufhin
wird das Target
Die auf der dünnen polykristallinen Schicht B gebildete supraleitende Oxidschicht C ist polykristallin, obwohl in den einzelnen Kristallkörnern der supraleitenden Oxidschicht C die c-Achse, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, in der Richtung der Dicke des polykristallinen Substrats A ausgerichtet ist, und die a- oder b-Achsen verschiedener Körner in Längsrichtung des polykristallinen Substrats A orientiert sind. Da die so gebildete supraleitende Oxidschicht gute Quantenkopplungseigenschaften in den Korngrenzen aufweist, und sich ihre supraleitenden Eigenschaften in den Korngrenzen weniger verschlechtern, sind die elektrische Leitfähigkeit in der Richtungsebene des polykristallinen Substrats A und die kritische Stromdichte hoch. Zur Stabilisierung der Kristallorientierung und der Schichtqualität der supraleitenden Oxidschicht C, wird vorzugsweise eine Wärmebehandlung auf eine Temperatur von 700 bis 800°C in der erforderlichen Zeitspanne vorgenommen und dann gekühlt. (Ausführungsformen)The oxide superconducting layer C formed on the thin polycrystalline layer B is polycrystalline, although in the individual crystal grains of the oxide superconducting layer C, the c-axis having high electric conductivity is oriented in the direction of the thickness of the polycrystalline substrate A, and the a - or b-axes of different grains in the longitudinal direction of the polycrystalline substrate A are oriented. Since the superconductive oxide layer thus formed has good quantum coupling properties in the grain boundaries and less deteriorates its superconducting properties in the grain boundaries, the electrical conductivity in the directional plane of the polycrystalline substrate A and the critical current density are high. To stabilize the crystal orientation and the layer quality of the oxide superconducting layer C, it is preferable to heat-treat to a temperature of 700 to 800 ° C in the required period of time taken and then cooled. (Embodiments)
Mit
der Vorrichtung zur Bildung einer dünnen polykristallinen Schicht
in der Ausführungsform
nach
Aufgrund
einer Röntgenbeugungsanalyse
der dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht,
die mit einem θ – 2θ Verfahren
unter Verwendung der CuK''-Linie erzielt wurde,
wurde wie in
Dann wurden die schichtbildenden Bedingungen für die dünne polykristalline Y2O3 Schicht geprüft, indem die Orientierung der erhaltenen dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht durch Änderung der Energie des Ar+ Ionenstrahls und der Substrattemperatur getestet wurde. Die Ergebnisse werden nachstehend beschrieben.Then, the film-forming conditions for the thin polycrystalline Y 2 O 3 film were examined by testing the orientation of the thin Y 2 O 3 polycrystalline film obtained by changing the energy of the Ar + ion beam and the substrate temperature. The results are described below.
Die
Abmessungen der Höhe
der (400) Spitze der dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht
bei verschiedenen Substrattemperaturen werden in
Eine höhere Höhe der (400) Spitze bedeutet eine bessere Orientierung der c-Achse, nämlich der Vertikalachse der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht. Daraus wird ersichtlich, dass die Substrattemperatur zwischen 250 und 350°C und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei 300°C liegen muss, damit die Vertikalachsenorientierung der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht gewährleistet ist.A higher height of the (400) peak means a better orientation of the c-axis, namely the vertical axis of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer. It can be seen that the substrate temperature must be between 250 and 350 ° C and in a particularly preferred embodiment at 300 ° C, so that the vertical axis orientation of the thin polycrystalline Y 2 O 3 layer is ensured.
Die
Abmessungen der Höhe
der (400) Spitze der dünnen
polykristallinen Y2O3 Schicht
bei verschiedenen Energiewerten des Ionenstrahls sind aus
Es wurden Polardiagramme von verschiedenen, unter unterschiedlichen Bedingungen bezüglich der Energie des Ionenstrahls und der Substrattemperatur gebildeten dünnen polykristallinen Y2O3 Schichtproben erstellt. Tabelle 1 zeigt die aus den Polardiagrammen der verschiedenen schichtbildenden Bedingungen bestimmten Neigungswinkel der Korngrenze. Tabelle 1 Polar plots of various thin polycrystalline Y 2 O 3 film samples formed under different conditions with respect to the energy of the ion beam and the substrate temperature were prepared. Table 1 shows the grain boundary tilt angle determined from the polar diagrams of the various film-forming conditions. Table 1
In
Tabelle 1 zeigt das Zeichen x an, dass das Muster des Polardiagramms
wie in
Es ist klar, dass eine bessere Kristallorientierung dann erzielt werden kann, wenn der Einfallswinkel des Ionenstrahls zwischen 50 und 60 Grad beträgt. In Proben, die unter Bedingungen außerhalb dieses Bereichs hergestellt wurden, konnte kein Bereich gefunden werden, in dem das Muster des Polardiagramms zusammenläuft, und die volle Breite konnte bei der Hälfte des Maximum nicht gemessen werden.It it is clear that a better crystal orientation will be achieved then can if the angle of incidence of the ion beam between 50 and 60 Degree is. In samples prepared under conditions outside this range no area could be found in which the pattern of the Polar diagram converges, and the full width could not be measured at half the maximum become.
Als
nächstes
wurde die supraleitende Oxidschicht auf der dünnen polykristallinen Y2O3 Schicht unter Verwendung
eines Laserabscheidegeräts
in der Ausführung,
wie sie in
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